直流线路诊断中雷击暂态全响应监测实践

沈祖成

（国网湖南省电力有限公司张家界供电分公司，张家界 427000）

0 引言

随着直流输电技术的发展，直流输电配电网受雷击的影响越来越大，需要构建优化的直流线路诊断中雷击暂态全响应监测模型来提高直流输电线路的稳定性，相关的直流线路雷击暂态全响应检测方法研究受到人们的极大关注［1⁃2］。 对直流线路诊断中雷击暂态全响应监测是建立在对直流输电线路的输出状态参数分析基础上，采用特征优化辨识和信号特征分解的方法提高输电线路的稳定性［3⁃4］。

传统方法中主要有基于直流偏磁参数估计的直流线路诊断中雷击暂态全响应监测方法、基于小波特征分解的直流线路诊断中雷击暂态全响应监测方法等［5⁃7］，实现直流线路诊断中雷击暂态全响应监测。但传统方法进行直流线路诊断中雷击暂态全响应监测的自适应性不好，特征辨识度不高。

针对上述问题，基于静止无功补偿控制和冲激响应特征检测，本文提出了直流线路诊断中雷击暂态全响应监测方法。首先构建了直流线路雷击暂态全响应信号检测模型，在此基础上实现了暂态特征量提取。采用电容式电压互感参数检测的方法，提取直流线路诊断中雷击暂态特征分量，然后建立静止无功补偿控制模型，实现了对雷击暂态全响应的监测，通过正交调制和多径特征分解的方法实现了对直流线路诊断中雷击暂态全响应检测。最后，对该方法进行了仿真测试分析。

1 雷击暂态全响应模型和特征分析

1.1 全响应信号输出的关联特征分量模型

为实现雷击暂态全响应监测，首先构建雷击暂态全响应信号检测模型，采用自相关匹配滤波器检测方法［8］对雷击暂态特征进行分解和抗干扰设计，通过雷击暂态全响应特征分析［9］，得到雷击暂态全响应输入与输出状态参数分析模型D

式（1）中，ak为直流控制装置对直流输电线路信号采样的幅值（k＝1，2，…，p）［10］，x（n）为在110kV及以上电压等级变压器中直流线路雷击的暂态输出，gn为以直流偏磁电流限值为输入得到的无功比例积分控制参数。

利用雷击暂态全响应输入与输出状态参数分析模型D，对雷击暂态全响应的输入、输出时域和频域特征分量完成信号拟合［11⁃12］，检测脉冲信号，对任意原始的特高压输电线路雷击后的脉冲信号x（t）进行 Hilbert变换，即

式（2）中，Kr为信号的瞬时频率。

基于此，采用Fourier变换构建窄时域窗，得到雷击暂态全响应信号短时Fourier变换［13］

式（3）中，τ为窗函数的时宽，f为输出电压的特征分辨率，Δt为抽样间隔。基于雷击暂态全响应信号短时Fourier变换结果，采用均衡调节的方法得到脉冲信号x（t）的惯性特征，并通过多模状态特征分解雷击暂态全响应信号，实现信号检测和特征聚类处理［14⁃15］。雷击暂态全响应信号输出的关联特征分量F（m）为

式（4）中，sm（t）为雷击暂态全响应信号特征增量，xm（t）为弱电网下稳定性条件下的信号检测特征量，m为采样节点的个数［16］。

1.2 特征量提取

在构建雷击暂态全响应信号检测模型的基础上，提取暂态特征量［17］，得到虚拟同步控制策略下的稳态工作点Qf

式（5）中，θ0和Δ分别为雷击暂态全响应参数和增益参数，w（k）为相关转子电流的扰动特征量［18］。据此，得到虚拟同步控制策略下稳态工作点的雷击暂态信息转换状态方程

式（6）中，β为 Lagrange系数。

利用雷击暂态信息转换状态方程，结合小信号扰动传递控制的方法，得到雷击暂态全响应的扰动特征量s（v）

式（7）中，Q+（θ）为扫频矩阵Q（θ）的酉矩阵，表示雷击暂态调制参数。在ζ（0）＝1的约束下，得到并网点电压参数［19］，在并网点电压添加小信号，得到特征分解矢量ζ

式（8）中，Ta为测试并网点电压电流时得到的信号采样宽度，Ta＝1/Ra。 根据上述分析，提取雷击暂态特征量，采用信号补偿和串并联特征分解的方法实现特征采样和信号检测提取［20］，数据采样的实现结构框图如图1所示。

图1 直流线路雷击暂态特征量提取结构框图Fig.1 Structure block diagram of lightning transient feature extraction of DC line

2 雷击暂态全响应监测优化

2.1 特征分量检测

在上述雷击暂态特征量提取的基础上，提取雷击暂态特征分量［21⁃22］，采用 PSO 算法优选模型超参数识别方法，得到雷击暂态特征分解pb的表达式为

式（9）中，v（s）为雷击暂态特征分量参数，ar为信号补偿方法的参数。

基于雷击暂态特征分解结果，采用互耦合参数识别的方法，得到雷击暂态特征的干扰频谱分量Me（s）为

式（10）中，h（f）为对应的雷击暂态特征冲激函数；a（t）为包络，即为雷击暂态参数的扰动分量沿的拟合曲线［23］；为采用增量训练方法训练构建的雷击暂态特征演化分量；x（j）为根据偏差与方差的分布特征点。根据模型的拟合参数进行加窗操作，将X划分为c类，得到直流线路雷击暂态统计量R

式（11）中，bu为直流线路雷击故障状态下的行波差动电流参数；j（r）为雷击暂态特征分量提取结果，该参数可采用电容式电压互感参数检测的方法获取。通过以上步骤，可实现雷击暂态特征分量的检测［24］。

2.2 雷击暂态全响应检测

建立静止无功补偿控制模型，采用冲激响应的输出差异性特征分解方法，结合自适应的参数寻优结果［25］，得到直流线路雷击暂态特征变换式

根据线路存在损耗和参数依频特性，得到全响应传递函数

式（13）中，wv为通过正交调制和多径特征分解方法得到的雷击暂态先验监测衰减参数，ah为形变参数。

分析雷击后的传输时延和波阻抗，可以得到不平衡行波差动电流

采用不平衡行波差动电流检测方法，可得到直流线路雷击暂态响应矩阵u1、u2与u3。e（i）为模糊关联特征分量，可描述采样数据实现对暂态响应的差异性。根据直流输电线路的电流及其幅频特性，得到不平衡行波差动电流，最后得到直流线路雷击暂态特征的幅频特性I

式（15）中，ΔB为直流线路的电流耦合分量，且ΔB＝B（tn-1）+B（t1）；g（w）为雷击暂态响应输出参数。综上分析，通过正交调制和多径特征分解的方法实现对直流线路诊断中雷击暂态全响应检测，得到的输出幅频响应如图2所示。

图2 直流线路诊断中雷击暂态响应的幅频特征Fig.2 Amplitude frequency characteristics of lightning transient response in DC line diagnosis

3 仿真实验与结果分析

为验证直流线路诊断中雷击暂态全响应监测中的应用性能，对本文方法进行仿真实验分析。直流线路诊断中雷击暂态信号采集的长度为1024，不平衡行波差动电流为120A，差动电流最大幅值为500A，雷击故障信息采样的时间间隔为15ms，高频能量和低频能量参数分别为36kHz和12kHz。根据上述参数设定，得到直流线路诊断中雷击暂态特征检测结果，如图3所示。

图3 直流线路诊断中雷击暂态特征检测Fig.3 Diagram of lightning transient characteristic detection in DC line diagnosis

根据上述直流线路诊断中雷击暂态信号的检测结果，以输出电流为约束指标，在不同的过渡电阻下实现直流线路诊断中雷击暂态全响应监测，得到的监测结果如图4所示。

图4 直流线路诊断中雷击暂态全响应监测结果Fig.4 Monitoring results of lightning transient full response in DC line diagnosis

分析图4可知，本文方法进行直流线路诊断中雷击暂态全响应监测的输出稳定性较好。为验证本文方法测试故障检测的准确率，分别与文献［4］方法、 文献［5］方法和文献［6］方法进行对比，得到的结果如表1所示。

表1 故障检测概率对比测试Table 1 Comparison test of fault detection probability

分析表1可知，对直流线路诊断中雷击暂态全响应监测，相比几种传统方法，本文方法对线路故障的准确检测概率较高。

4 结论

为了构建优化的直流线路诊断中雷击暂态全响应监测模型、提高直流输电线路的稳定性，本文基于静止无功补偿控制和冲激响应特征检测提出了直流线路诊断中雷击暂态全响应监测方法。采用自相关匹配滤波器检测方法实现了对直流线路诊断中的雷击暂态特征分解和抗干扰设计，采用电容式电压互感参数检测方法提取了直流线路诊断中的雷击暂态特征分量，建立了静止无功补偿控制模型，实现了雷击暂态特征分量检测。研究可知，本文方法对直流线路诊断中雷击暂态全响应监测效果良好，提高了对线路故障的检测诊断率。